(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210600087.0 (22)申请日 2022.05.30 (71)申请人 西安交通大 学 地址 710049 陕西省西安市碑林区咸宁西 路28号 (72)发明人 张亚培　吴世浩　王栋　葛魁　 苏光辉　田文喜　秋穗正　 (74)专利代理 机构 西安智大知识产权代理事务 所 61215 专利代理师 何会侠 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) G06F 30/17(2020.01) G06F 119/08(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 考虑热力耦合的压力容器下封头安全评估 方法 (57)摘要 本发明公开了一种考虑热力耦合的压力容 器下封头安全评估方法， 步骤如下： 1、 建立压力 容器下封头计算模型； 2、 生 成不确定性 分析参数 矩阵； 3、 下封头分层熔融池传热过程计算； 4、 下 封头壁面烧蚀过程计算； 5、 下封头壁面蠕变过程 计算； 6、 下封头安全评估。 本方法可以综合考虑 传热、 烧蚀和蠕变对压力容器下封头的影响， 并 基于不确定性分析快速准确的对大量的分析结 果进行统计， 评估下封头的安全裕量、 熔融池内 各个参数对 下封头安全性能的敏感性和重要性， 对压力容器下封 头的安全评估具有重要意 义。 权利要求书3页 说明书7页 附图1页 CN 115017689 A 2022.09.06 CN 115017689 A 1.一种考虑热力耦合的压力容器下封 头安全评估方法， 其特 征在于： 包括如下步骤： 步骤1： 建立压力容器下封 头计算模型 具体设置以下建模参数： 下封头半径、 下封 头壁面厚度、 下封 头外壁面温度； 下封头熔融池的构型： 单层即氧化物层、 两层即轻金属层和氧化物层或三层即轻金 属层、 氧化物层和重金属层； 二氧化铀、 二氧化锆、 不锈钢 、 铀和锆的密度、 比热容、 热导 率和体积膨胀系数； 衰变热功率、 锆氧化份额、 锆质量、 铀质量、 二氧化铀质量、 不锈钢质量和金属层上表 面发射率； 二氧化铀、 二氧化锆、 不锈钢 、 铀和锆在熔融池每一层内的质量分布情况； 步骤2： 生成不确定性分析参数矩阵 针对压力容器下封头计算模型中的参数， 选择一个或者多个参数开展不确定性分析， 分析参数变化对下封头安全性能的影响； 根据所选参数 的取值变化范围和概率密度分布， 对所选参数进行抽样， 并生成不确定分析参数矩阵； 步骤3： 下封 头分层熔融池传热 过程计算 针对步骤1中所述下封头熔融池的三种构型， 分别建立氧化物层、 轻金属层和重金属层 的传热模型； 计算时针对不包含的熔融池层则直接跳过该层的计算； 待求得壁面各个位置 处的热流密度后将其值与临界热流密度关系式求得的值进 行对比， 对比结果用来判断压力 容器下封 头壁面是否失效及安全 裕量； 1)氧化物层： 氧化物层 传热模型即向下传递和向上传递的热流密度计算表达式如下： 式中： q″o,dn表示氧化物层向下传递的热流密度； q ″o,up表示氧化物层向上传递的热流密 度； 表示氧化物层体积释热率； Vo表示氧化物层的体积； Sup表示氧化物层上表面面积； Sdn 表示氧化物层下表面面积； Sside表示氧化物层侧面面积； Nuup表示氧化物层上部努塞尔数； Nudown表示氧化物层下部努塞尔数； 对压力容器下封头构建极坐标系， 以压力容器下封头的半球球心为极点， 以垂直向下 的射线为极轴， 得到下封头壁面各个位置的极角 θ； 氧化物层熔融物与壁面的交界处会形成 硬壳， 根据能量守恒和傅里叶定理， 得到氧化物层的熔融物硬壳厚度的计算关系式： 氧化物层壁 面热流密度与极角 θ 的关系式如下：权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115017689 A 2式中： q″w( θ )表示极角θ处的壁面热流密度； θ表示极角； δcr( θ )表示极角θ处的硬壳厚 度； λcr表示硬壳导热系数； λw表示压力容器壁面导热系数； δw( θ )表示极角 θ处的壁面厚度； To,m表示氧化物的熔点温度； Tw,o表示压力容器外壁 面温度； 2)轻金属层： 轻金属层传热模型即底部、 顶部和 侧面的热流密度计算表达式如下： 式中： q″l,b表示轻金属层底部的热流密度； q ″l,t表示轻金属层顶部的热流密度； q ″l,w表 示轻金属层侧面的热流密度； 表示轻金属层温度； δcr,t表示氧化物层上表面的硬壳厚度； σ 表示斯蒂芬 ‑玻尔兹曼常数； Tl,t表示轻金属层上表 面温度； Ts,i表示堆内构件内表 面温度； εl表示轻金属层上表 面的发射率； εS表示堆内构件内表面的发射率； SS表示堆内构件表面面 积； Sl,t表示轻金属层顶部表面 面积； Tw,m表示压力容器壁 面熔点温度； 3)重金属层： 氧化物层向重金属层 传递的热流密度和重金属层底部的热流密度计算表达式如下： 式中： q″o,h表示氧化物层向重金属层传递的热流密度； q ″h,b表示重金属层底部 的热流 密度； 表示重金属层体积释热率； Vh表示重金属层的体积； Sh,b表示重金属层底部表面面 积； θh表示重金属层顶部的极角； 重金属层中的衰变热份额与氧化物池中的衰变热份额的和等于总的衰变热份额， 总的 衰变热在氧化物池和重金属层中的份额分配采用以下关系式： 式中： Pdecay,t表示总体积释热率； mU表示重金属层中金属铀的质量； 表示氧化物层中 二氧化铀的质量； 4)临界热流密度关系式：权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115017689 A 3